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문제 정의
- 다시 말해서 시료별 주요 피크의 강도비를 비교하여 오염물의 농도 변화를 상대적으로 판단할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 3286, 2924, 2363, Fig. 5시간경과에 따른 오염물 유출량 1636, 1541, 1374, 1052 cm-1의 주피크의 비율을 가지고 물리세정방법에 따른 막면 오염물의 제거 특성을 평가하고자 하였다.
- 본 연구에서 하수재이용 막 여과 공정에서 막오염 제어를 위한 약품 역세를 적용하여 물리세정 방법에 따른 세정효율과 막오염원 제거 특성을 비교 평가하였다.
제안 방법
- , 2006).이러한 막오염은 폭기에 의한 물리 세정만으로 제거가 어렵기 때문에 본 연구에서는 PTFE(Polytera fluoro ethylene) 정밀 여과용 평막여과 공정에서 막세정시 주로 사용되는 세정약품인 NaOCl을 사용하여 약품 역세에서의 물리세정방법에 정치와 폭기에 따른 세정효율을 비교평가하고 약품 역세시 막면에서 제거되는 오염물질을 분석하였다.
- 1 ㎛인 퓨어엔비텍사의 정밀여과용 침지 형 평막이다. 약품 역세를 적용하는 운전에서는 저농도이지만 약품과 자주 접촉하는 것을 고려하여 내화학성이 우수한 PTFE 재질의 분리막을 사용하였다. S대 학교 하수처리장에서 처리된 2차 침전지 상 등수를 원수로 사용하여 분리막으로 여과시켜 일정한계 에 도달할 때까지 막을 오염시켜 분리막의 여과 저항을 측정하고 약품 역세 후 시간 경과에 따른 정치, 폭기의 여과 저항을 측정하여 세정효율을 평가하였다.
- 약품 역세를 적용하는 운전에서는 저농도이지만 약품과 자주 접촉하는 것을 고려하여 내화학성이 우수한 PTFE 재질의 분리막을 사용하였다. S대 학교 하수처리장에서 처리된 2차 침전지 상 등수를 원수로 사용하여 분리막으로 여과시켜 일정한계 에 도달할 때까지 막을 오염시켜 분리막의 여과 저항을 측정하고 약품 역세 후 시간 경과에 따른 정치, 폭기의 여과 저항을 측정하여 세정효율을 평가하였다. 대상원수의 수질은 Table 1과 같다.
- 여과장치는 회전수를 제 어할 수 있는 연동펌프(Peristalic pump, Cole-Parmer, USA)와 흡입압력을 측정할 수 있는 전자 압력계로 구 성되었다. 불순물을 함유하지 않은 pure water용매와 하수 처리수에 오염된 막을 침지조안에 넣고 침지 하 였으며 약품 역세 시 평판형 막의 경우 압력을 가할 경우 막 면이 부풀어 손상될 위험이 있으므로 약품 역 세수 1 L를 자연유하로 막내에 주입하였다. 약품 역세 수의 농도는 NaOCl 300, 600, 1, 200 ppm으로 조건을 달리 하여 실험하였다.
- 불순물을 함유하지 않은 pure water용매와 하수 처리수에 오염된 막을 침지조안에 넣고 침지 하 였으며 약품 역세 시 평판형 막의 경우 압력을 가할 경우 막 면이 부풀어 손상될 위험이 있으므로 약품 역 세수 1 L를 자연유하로 막내에 주입하였다. 약품 역세 수의 농도는 NaOCl 300, 600, 1, 200 ppm으로 조건을 달리 하여 실험하였다. 약품 역세 직후의 약품 접촉시 간은 30, 60, 90, 120 min 으로 약품 접촉시간 동안 물 리세정 방법에 따른 세정효율을 평가를 위하여 정치 와 폭기를 각각 적용하였다.
- 약품 역세 수의 농도는 NaOCl 300, 600, 1, 200 ppm으로 조건을 달리 하여 실험하였다. 약품 역세 직후의 약품 접촉시 간은 30, 60, 90, 120 min 으로 약품 접촉시간 동안 물 리세정 방법에 따른 세정효율을 평가를 위하여 정치 와 폭기를 각각 적용하였다. 정치는 조안에 물리적 인 반응 없이 정지해 있는 상태 이며 폭기 적용시의 공급 유량은 30 L/min의 공기를 반응조 바닥에 설치된 산 기관 으로 공급하였다.
- 정치는 조안에 물리적 인 반응 없이 정지해 있는 상태 이며 폭기 적용시의 공급 유량은 30 L/min의 공기를 반응조 바닥에 설치된 산 기관 으로 공급하였다. 세정 실험의 시작 전후의 여 과저항을 측정을 위해 연동펌프를 이용하여 여과를 실행하여 전자 압력계로 여과압력, 메스실린더로 투 과플럭스를 측정하였다. 운전조건은 Table 2와 같다.
- 약품 역세 시 약품 농도 및 접촉시간에 따른 정치 및 폭기에 따른 세정효율을 파악하기 위하여 오염된 막의 초기 여과저항(총 여과저항(Rt))을 측정하였고 이후 일정 시간이 경과 할 때 마다 여과저항을 측정하여 세정효율을 산출하였다. 세정효율은 다음 식(1)에
- 따라 계산하였다. 또한 일정 시간 간격으로 막 침지조 내의 시료를 채취하여 시간이 경과함에 따라 막 면에서 제거되는 오염물질을 분석하였다. 분석 항목으로 는 TOC(Total Organic Carbons), DOC(Dissolved Organic Carbons), UV254, 탁도 등을 측정하였다.
- 또한 일정 시간 간격으로 막 침지조 내의 시료를 채취하여 시간이 경과함에 따라 막 면에서 제거되는 오염물질을 분석하였다. 분석 항목으로 는 TOC(Total Organic Carbons), DOC(Dissolved Organic Carbons), UV254, 탁도 등을 측정하였다. 실험 종료 후에는 막 표면 오염물질의 정량적인 파악을 위해 Fourier Transformed Infrared Spectroscopy(FT-IR) 을 측정하여 약품 농도에 따른 물리세정방법 별 막 오 염물의 성분 및 상대적 인 감소량을 파악하였다
- 분석 항목으로 는 TOC(Total Organic Carbons), DOC(Dissolved Organic Carbons), UV254, 탁도 등을 측정하였다. 실험 종료 후에는 막 표면 오염물질의 정량적인 파악을 위해 Fourier Transformed Infrared Spectroscopy(FT-IR) 을 측정하여 약품 농도에 따른 물리세정방법 별 막 오 염물의 성분 및 상대적 인 감소량을 파악하였다
- 약품 역세를 행한 직후 일정시간 정치 시켰을 때와 폭기를 행하였을 때 물리세정 방법별 세정효율을 평 가하기 위해 하수 처리수로 오염된 막의 여과저항을 측정하고 약품 역세 시 약품농도와 접촉시간에 따라 여과저항 측정으로 세정 효율을 평가하였다. Fig.
- 본 실험에서는 300, 600, 1200 ppm의 NaOCl로 약품 역세를 행한 후 약품접촉 시간 10, 30, 60, 90, 120 min 동안 물리세정방법별 조내 유출되는 유기물을 접촉 시간 간격으로 시료를 채취해 분석한 결과이다. Fig.
대상 데이터
- 실험에 사용된 분리막 의 막 면적은 0.3 m이며 공경크기 0.1 ㎛인 퓨어엔비텍사의 정밀여과용 침지 형 평막이다. 약품 역세를 적용하는 운전에서는 저농도이지만 약품과 자주 접촉하는 것을 고려하여 내화학성이 우수한 PTFE 재질의 분리막을 사용하였다.
- 1과 같다. 실험장치는 유효용적이 32 L인 분리막 침지조 및 여 과 역세 장치로 구성되었다. 여과장치는 회전수를 제 어할 수 있는 연동펌프(Peristalic pump, Cole-Parmer, USA)와 흡입압력을 측정할 수 있는 전자 압력계로 구 성되었다.
성능/효과
- 2에 정치 시 약품 역세 농도에 따른 세정효율을 도시하였다. 정치 시 약품 역세 이후 접촉시간 60분, 120분에 따라 회복되는 세정효율은 NaOCl 0 ppm에서 10.8, 13.1 %였으며, NaOCl 300 ppm에서는 13.5, 25.0 %이 었고, NaOCl 600 ppm에서 21.0, 32.9%, NaOCl 1, 200 ppm에서는 26.8, 43.2 % 의 세정효율을 나타냈다. Fig.
- 2 % 의 세정효율을 나타냈다. Fig. 2의 결과를 보면, 정치적용 시 30분간의 접촉시간을 제외하고는 약품 농도가 높을수록 세정효율이 증가한 것을 확인할 수 있었다. Fig.
- 3에는 NaOCl 농 도별 약품 역세 시 폭기를 행한 경우의 세정효율을 도 시하였다. 폭기 시 약품 역세 이후 접촉시간 60분, 120분에 따라 회복되는 세정효율은 NaOCl 0 ppm 에서 17.4, 22.1 %, NaOCl 300 ppm에서 45.8, 62.3 %, NaOCl 600 ppm에서 44.1, 68.7 %이었으며 NaOCl 1, 200 ppm에서는 55.9, 72.5 %의 세정효율을 나타냈 Fig. 4 약품 역세 농도별 세정효율다. 폭기 시 NaOCl 약품 역세를 행한 결과, NaOCl를 주입하지 않은 경우와 비교하여 모든 접촉시간에서 2 배 이상 세정효율이 향상됨을 확인할 수가 있었다.
- 4 약품 역세 농도별 세정효율다. 폭기 시 NaOCl 약품 역세를 행한 결과, NaOCl를 주입하지 않은 경우와 비교하여 모든 접촉시간에서 2 배 이상 세정효율이 향상됨을 확인할 수가 있었다. 또한 NaOCl의 농도가 높을수록 접촉시간이 길수록 세 정효율은 좋았으나, NaOCl 300 ppm과 600 ppm의 세정효율 차는 그리 크지 않음을 확인할 수 있었다.
- 폭기 시 NaOCl 약품 역세를 행한 결과, NaOCl를 주입하지 않은 경우와 비교하여 모든 접촉시간에서 2 배 이상 세정효율이 향상됨을 확인할 수가 있었다. 또한 NaOCl의 농도가 높을수록 접촉시간이 길수록 세 정효율은 좋았으나, NaOCl 300 ppm과 600 ppm의 세정효율 차는 그리 크지 않음을 확인할 수 있었다. Fig.
- 또한 NaOCl의 농도가 높을수록 접촉시간이 길수록 세 정효율은 좋았으나, NaOCl 300 ppm과 600 ppm의 세정효율 차는 그리 크지 않음을 확인할 수 있었다. Fig. 4는 농도별 약품 역세 적용 실험의 세정 효율에서 물리세정만을 적용했을 경우의 세정효율을 제거 한 결과 그래프이다 결과를 살펴보면 앞서 서술한 바와 마찬가지로 정치 30분만을 제외하고는 모든 결과 에서 약품 농도가 높을수록, 약품 접촉시간이 길수록 세정효율은 좋아지는 것을 확인할 수 있었다.
- 본 실험에서는 300, 600, 1200 ppm의 NaOCl로 약품 역세를 행한 후 약품접촉 시간 10, 30, 60, 90, 120 min 동안 물리세정방법별 조내 유출되는 유기물을 접촉 시간 간격으로 시료를 채취해 분석한 결과이다. Fig. 5에서와 같이 정치 시 입자성 물질을 나타내는 탁도에서는 다른 오염원에 비해 유기물 유출량은 소량임을 확인할 수가 있었다. 반면에 TOC와 용존성 물질 DOC, UV254등 농도가 높을수록 시간이 증가할수록 유출량은 증가하였다.
- 5에서와 같이 정치 시 입자성 물질을 나타내는 탁도에서는 다른 오염원에 비해 유기물 유출량은 소량임을 확인할 수가 있었다. 반면에 TOC와 용존성 물질 DOC, UV254등 농도가 높을수록 시간이 증가할수록 유출량은 증가하였다. 조내에 유기물 유출량은 정치보다 폭기를 적용했을 경우 TOC, DOC 및 UV254 의 시간에 따른 증가폭이 커지는 것을 확인할 수 있었다.
- 반면에 TOC와 용존성 물질 DOC, UV254등 농도가 높을수록 시간이 증가할수록 유출량은 증가하였다. 조내에 유기물 유출량은 정치보다 폭기를 적용했을 경우 TOC, DOC 및 UV254 의 시간에 따른 증가폭이 커지는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 원인은 분리막 하부의 산기 장치 에서 발생된 상향류의 기포가 분리막 표면에 침적된 물질들에 전단력을 가하여 막 표면으로부터 탈리된 것으로 보인다 (김, 2011).
- FT-IR 분석 결과 오염막과 물리세정을 적용한 막에 동일한 피크의 파장을 나타냄을 확인할 수 있었다. 오염막의 스펙트럼에서 3286cm-1의 피크를 기준으로 3600~3600cm-1의 광범위한 피크는 hydroxyl functional groups의 O-H 밴드의 stretching에 의한 영향이며, 2924cm-1 피크는 C-H 밴드의 stretching에 의한 영향이다(Kumar et al.
- 6~7은 접촉 시간 120 min 경과 후약품 역세농도별 물리세정에 적용한 막의 막면 오염물에 대한 FT-IR 분석 결과이다. 오염물의 성분은 3600 ~ 3600 cm-1의 광범위한 피크의 hydroxyl functional groups 의 O-H 밴드, 2921 cm-1 피크의 C-H 밴드, 1377 cm-1의 피크의 carboxylate 또는 무기 이온, 1631 cm-1과 1542 cm-1 피크의 amides I과 amides Ⅱ의 Protein과 1031 cm-1 피크의 polysaccharide이었으며, 정치, 폭기를 적용한 모든 막에서 약품 농도변화와 관계없이 거의 유사한 피크를 나타내었다. Fig.
- 그러나 물리 세정방법별 상대적 피크비는 확연한 차이를 나타내었다. 모든 항목에서 세정 효율이 가장 낮았던 정치에서의 피크 비가 가장 낮았으며, 폭기는 상대적 피크비가 높음을 알 수 있었다. 또한 polysaccharide의 피크 비 에서 약품 농도가 증가할수록 그리고 세정 효율이 높은 폭기 피크 비가높은 것을 확인할 수 있었다.
- 모든 항목에서 세정 효율이 가장 낮았던 정치에서의 피크 비가 가장 낮았으며, 폭기는 상대적 피크비가 높음을 알 수 있었다. 또한 polysaccharide의 피크 비 에서 약품 농도가 증가할수록 그리고 세정 효율이 높은 폭기 피크 비가높은 것을 확인할 수 있었다. 이것으로부터 세정효율과 polysaccharide는 매우 밀접한 관계가 있음을 확인할 수 있었다.
- 또한 polysaccharide의 피크 비 에서 약품 농도가 증가할수록 그리고 세정 효율이 높은 폭기 피크 비가높은 것을 확인할 수 있었다. 이것으로부터 세정효율과 polysaccharide는 매우 밀접한 관계가 있음을 확인할 수 있었다.
- 물리세정별 약품 역세 적용에 따른 세정효율은 약품 농도가 높을수록, 약품 접촉 시간이 길수록 세정효율은 좋아지는 것을 확인할 수 있었으며, 정치보다는 폭기의 세정효율이 월등한 것으로 보아 약품 역세를 진행할 경우 접촉 시간 동안 수류 형성이 가능한 물리세정 등이 반드시 필요하다는 것을 알 수 있었다. 약품 접촉 시간 동안 행한 폭기의 세정효율에서는 약품농도 및 약품 접촉 시간 등 모든 조건에서 세정효율이 우수하였다.
- 물리세정별 약품 역세 적용에 따른 세정효율은 약품 농도가 높을수록, 약품 접촉 시간이 길수록 세정효율은 좋아지는 것을 확인할 수 있었으며, 정치보다는 폭기의 세정효율이 월등한 것으로 보아 약품 역세를 진행할 경우 접촉 시간 동안 수류 형성이 가능한 물리세정 등이 반드시 필요하다는 것을 알 수 있었다. 약품 접촉 시간 동안 행한 폭기의 세정효율에서는 약품농도 및 약품 접촉 시간 등 모든 조건에서 세정효율이 우수하였다.
- 약품 역세를 통해 제거되는 오염원 분석 결과, 폭기를 적용한 실험에서 탁도와 TOC 등의 입자성 물질이 높게 검출되었으며, DOC, UV254 등의 용존성 물질 또한 폭기 적용 시 농도가 높을수록 시간이 증가할수록 유출량은 증가하였다. 이는 분리막 표면에 침적된 입자성 오염물질들은 폭기에 의해 가해진 전단력에 의해 막 표면으로부터 탈리된 것으로 보인다.
- 이는 분리막 표면에 침적된 입자성 오염물질들은 폭기에 의해 가해진 전단력에 의해 막 표면으로부터 탈리된 것으로 보인다. 오염물의 FT-IR 상대 피크 비의 분석 결과 약품 농도가 증가할수록 상대 피크비의 증가가 관찰되었으나 그 차이는 크지 않았다. 그러나 물리 세정 별의 피크 비차이는 확연하였는데, 특히 세정 효율이 높은 폭기에서 Polysaccharide의 피크비가 높은 것으로 나타났으며 , 결론적으로 세정 효율과 Polysaccharide는 밀접한 관계가 있음을 확인할 수 있었다.
- 오염물의 FT-IR 상대 피크 비의 분석 결과 약품 농도가 증가할수록 상대 피크비의 증가가 관찰되었으나 그 차이는 크지 않았다. 그러나 물리 세정 별의 피크 비차이는 확연하였는데, 특히 세정 효율이 높은 폭기에서 Polysaccharide의 피크비가 높은 것으로 나타났으며 , 결론적으로 세정 효율과 Polysaccharide는 밀접한 관계가 있음을 확인할 수 있었다.
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